行業(yè)：建筑工程

    挑戰(zhàn)：結構優(yōu)化設計與建造和審美的結合。

    Altair 解決方案：一套軟件集成包，用于形態(tài)建模和結構優(yōu)化。

    優(yōu)點：顯著減少設計時間和環(huán)境成本。

    背景介紹 

    丹麥的奧胡斯建筑學院過去一直對拓撲優(yōu)化技術在混凝土建筑結構中的應用潛力以及它在混凝土澆鑄聚苯乙烯模板的機械制造中的應用非常關注，基于仿真的拓撲優(yōu)化技術已經(jīng)在汽車、航空和造船工業(yè)廣泛使用。現(xiàn)在將拓撲優(yōu)化技術用于混凝土建筑結構，并將該技術與用于混凝土澆筑的聚苯乙烯模板機械化制造相耦合。

    UnikabetonPrototype項目結合了學術和工業(yè)團隊，由項目經(jīng)理工程師Per Dombernowsky和Asbj?rnS?ndergaard領導，Asbj?rnS?ndergaard負責項目設 計和優(yōu)化方面。

    Unikabeton（獨特的混凝土結構），這一項目由丹麥建筑界最大的8家機構和企業(yè)通力合作，共同開發(fā)一系列的優(yōu)化實驗，以便得到全尺寸混凝土結構的設計和優(yōu)化方法。    

    挑戰(zhàn) 

    計算機優(yōu)化工具的使用對于建筑領域來說是陌生領域。S?ndergaard認為造成這種現(xiàn)象的主要原因是“建筑領域的保守思想阻礙了將CAE作為結構設計的工具”，不愿意將設計控制權交給優(yōu)化軟件。

Unikabeton項目將是建筑設計中第一個使用拓撲優(yōu)化的學術研究項目。由于混凝土制造而產(chǎn)生的二氧化碳排放量占全球排放總量的5%，該團隊的實驗結果將意義深遠。      

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    “我們可以看到HyperWorks在商業(yè)建筑項目中的巨大潛力：數(shù)字化制造方法的應用越來越經(jīng)濟便捷。” 

                                                                                                              丹麥奧胡斯建筑學院

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    解決方案

    該團隊選擇AltairHyperWorks進行優(yōu)化實驗。“帶有OptiStruct的HyperWorks軟件包能夠整合有限元建模和優(yōu)化，”S?ndergaard說道，“因此，學習和培訓可以在同一個軟件平臺進行。此外，Altair令人印象深刻的優(yōu)化案例以及靈活的擴 展方式極大的增強了項目經(jīng)理的信心，他們最初對于大規(guī)模拓撲優(yōu)化的可行性還持有懷疑態(tài)度。”

    該團隊首先進行結構分析并在數(shù)字化制造流程中進行小規(guī)模仿真，與一系列常規(guī)的預制和現(xiàn)澆混凝土構件進行比較。分析表明，在滿足規(guī)范的構造要求下，優(yōu)化過的結構材料使用減少了60%-70%。同時還發(fā)現(xiàn)了新的美學，比如從最終設計 中可以看到結構荷載的傳遞。

    完成對混凝土構件的初步工作后，團隊打算優(yōu)化一塊非均勻雙曲混凝土板，這塊板由地基上三根不對稱放置的混凝土支柱支撐。原型結構的大小為12x6x3.3米。

    使用拓撲優(yōu)化，使結構EPS模板滿足數(shù)控銑削加工的制造要求。該團隊使用聚苯乙烯塊銑削加工模塊，在現(xiàn)場使用傳統(tǒng)的腳手架和裝配技術進行組裝，然后將自密實混凝土澆筑到模板中。

有了拓撲優(yōu)化技術，建筑師放棄了直接控制結構形式，因為軟件可以從大量數(shù)據(jù)中形成結構形狀。在需要建筑師確定某些設計方案時，可以使用“非設計空間”——在優(yōu)化過程中排除在外的區(qū)域。Unikabeton項目中，非設計空間被指定為頂部混凝土構件和三個支柱，以滿足設計要求，比如設計將產(chǎn)生一個無孔頂面以防止雨雪等天氣影響。                                                                

    結論 

    Unikabeton優(yōu)化項目的成功顯示了仿真驅動的拓撲優(yōu)化對建筑結構的重要價值。它為模擬生物結構系統(tǒng)的形態(tài)優(yōu)化提供了方法，借此可以用最小質量生成最佳性能的結構。

    研究小組指出，從設計中減去多余的材料能夠顯著降低與建造結構相關的環(huán)境成本，從混凝土生產(chǎn)和運輸方面節(jié)省能源。而且，用來制造模板的聚苯乙烯能夠以制造新模板時循環(huán)使用。

    從大的方面來說，這個項目標志著建筑實踐中的一個潛在的重大轉變。“憑借建筑學歷史經(jīng)驗的積累，非計算機的結構設計表明了結構設計的經(jīng)驗主義流程，”S?ndergaard指出，“拓撲優(yōu)化實現(xiàn)了從拓撲學到拓撲設計思想的轉變，其中對經(jīng)驗的需求轉換為對優(yōu)化先決條件的一般知識。”援引日本工程師MutsuroSasaki的話，S?ndergaard指出，優(yōu)化成就了新的結構類型，即構件從一個連續(xù)的整體中設計出來，摒棄了傳統(tǒng)的子分類系統(tǒng)，如梁、板和柱。

    Sφndergaard說，“HyperMesh是一個非常強大的有限元建模工具，能夠滿足創(chuàng)建高級設計空間模型的關鍵需求。HyperWorks是穩(wěn)健而靈活的分析工具，對于理解優(yōu)化結果的復雜結構和其可行性評估起到了很大的幫助。”

    該團隊同時使用HyperView進行后處理，對位移和應力進行分析和檢查。 Sφndergaard稱他的團隊已經(jīng)預見了HyperWorks在商業(yè)建筑項目中遠大的應用前景。  

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